發電機組同期合閘失敗原因分析及解決措施

閆紅軍，鄭 霜，王選凡

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡水電廠，云南 普洱 665005）

水輪發電機組的同期是將未投入電力系統的發電機加上勵磁，并調節其電壓和頻率，在滿足電壓、頻率、相位在允許范圍之內的并列條件時，將發電機投入電網系統。同期失敗或者同期并網時間長，發電機不能及時并網發電，可能造成電力系統出現負荷缺口，影響電力系統安全穩定運行。同期失敗的原因多種多樣，分析同期失敗的原因并不復雜，主要是要有數據支撐，包括電壓、頻率、同期參數等，才能快速精準定位同期失敗原因，找出解決對策。

1 同期裝置基本原理

1.1 發電機同期系統定義及作用

同步發電機投入電力系統參加并列運行的操作稱為并列操作或是同期操作。用于完成并列操作的裝置稱之為同期裝置。為了發電機自身的安全，同時也是為了對電力系統造成盡可能小的沖擊，發電機并入系統時必須有同期裝置，否則可能造成很嚴重的事故。

1.1.1 發電機并入電力系統必須要滿足的條件

相序必須一致；發電機頻率、電壓與系統頻率、電壓相同或差值在允許的范圍之內；發電機與系統的相角差不為零或差值在允許范圍之內[1]。同期條件不滿足的情況下嚴禁并網，否則有可能產生很大的沖擊電流而燒毀發電機或使電網穩定性遭到破壞甚至瓦解。一定要將堅決防止發電機的非同期并列。

1.1.2 發電機同期分類

發電機組的并列方式有2 種：準同期和自同期。準同期是指將還未投入系統的發電機加上勵磁，并調節其電壓和頻率使其滿足同期并網的條件，將發電機并入系統。自同期是將未勵磁而轉速接近同步轉速的發電機并入系統，并加上勵磁。

1.2 發電機同期試驗

1.2.1 發電機同期要求

根據國家能源局印發的《防止電力生產事故的二十五項重點要求（2023 版）》（簡稱《二十五項反措（2023版）》），微機自動準同期裝置應安裝獨立的同期檢定閉鎖繼電器，同期閉鎖繼電器應同時具備壓差、頻差、角差檢查閉鎖功能。對于新建或改造的同期裝置，宜選擇雙通道相互閉鎖的同期裝置。新投產、大修機組及同期回路（包括交流電壓回路、直流控制回路、整步表、自動準同期裝置及同期把手等）發生改動或設備更換的機組，在第一次并網前應進行以下工作：對裝置及同期回路進行全面的校核、傳動；利用發變組帶空載母線升壓試驗，校核同期電壓檢測二次回路的正確性，并對整步表及同期檢定繼電器進行實際校核；進行機組假同期試驗，試驗應包括斷路器的手動準同期及自動準同期合閘試驗、同期（繼電器）閉鎖等內容。

1.2.2 發電機同期試驗方法

同期試驗的原理簡單來說就是待并網側（發電機）和系統側（電網）在并網開關兩側的電壓、頻率、相角差在允許范圍之內時，合上開關。通過同期試驗可以檢查同期回路接線的正確性，檢驗同期裝置和監控、調速器、勵磁系統之間的調節是否正確，防止非同期并列。

同期試驗分為假同期試驗和真同期試驗，假同期試驗是指在隔離刀閘斷開的狀態下，使用同期裝置進行模擬并網，合上開關，因為有隔離刀閘作為明顯的斷開點，實際上未并網；真同期試驗就是利用同期裝置真正地讓發電機并網，也就是開關在熱備用狀態，一經合閘即可并網。先要做假同期試驗，再做真同期試驗。機組同期裝置可以通過發電機出口開關并網，也可以通過主變高壓側開關并網，因此這2 個開關都要做真假同期并網試驗。同期試驗中會用到便攜式錄波儀，作用是記錄電壓、電流波形和開關狀態。

試驗接線：①從同期裝置待并側PT 的取電壓信號連接至錄波儀輸入端U1；②從同期裝置系統側PT 的取電壓信號連接至錄波儀輸入端U2；③將發電機出口開關合閘位置節點和主變高壓側開關合閘位置節點接入錄波儀。

試驗步驟：①開展主變高壓側開關假同期試驗，將主變高壓側開關轉為冷備用，解除主變高壓側開關合閘位置至調速器的接線，避免發電機出口合閘后調速器進入負載態。在計算機監控系統將主變高壓側隔離刀閘強制為合位，以滿足并網條件。開展發電機帶主變零起升壓試驗，主變帶額定電壓后，上位機發出機組以主變高壓側開關發電令，檢查主變高壓側開關合閘，分析錄波儀波形圖，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導前時間是否滿足要求。將主變高壓側開關轉為熱備用，恢復主變高壓側開關合閘位置至調速器的接線，開展真同期試驗，上位機發出機組以主變高壓側開關發電令，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導前時間是否滿足要求。②此時主變已帶電，接著開展發電機出口開關假同期試驗，斷開發電機出口隔離刀閘，在計算機監控系統上位機將發電機出口隔離刀閘強制為合位，滿足開機至并網條件，解除發電機出口合閘位置至調速器的接線，避免發電機出口合閘后調速器進入負載態。將發電機以發電出口開關并網發電，檢查發電機出口開關合閘，檢查合閘瞬間的壓差、頻差、導前時間是否滿足要求。斷開發電機出口開關，合上發電機出口隔離刀閘，恢復發電機出口合閘位置至調速器的接線，開展發電機真同期試驗，發電機出口開關在熱備用狀態下同期合上開關。

2 同期失敗原因分析

2.1 同期并列條件不滿足

發電機同期并列有3 個條件，如果任意一個條件不滿足則不能并網，否則有可能產生很大的沖擊電流。發電機同期合閘失敗多數原因就是并列條件不滿足要求，現用案例進行分析。

2.1.1 案例一

某水電站發電機組設置有2 套ABB SYN 5201 型數字式同期裝置，2 套互為備用。機組開機后，A 套同期裝置啟動后超過120 s 未成功并網，等待180 s 后，啟動B 套同期裝置，超過120 s 未成功并網，造成同期失敗。通過分析待并網側和系統側的電壓、頻率曲線，電壓差小于2 V，頻率差小于0.1 Hz，滿足要求。角差的定值為5°，但角差無法直接測得。

機組并網相角差表達式為（2πf1t+Φ1）-（2πf2t+Φ2）→2πt（f1-f2）+（Φ1-Φ2），理論上當f1 與f2 相等時，相角差為一個定值，若大于5°，則會導致機組同期并網條件一直不滿足。本次同期失敗的直接原因是角差不滿足[2]，進一步對角差不滿足的原因進行分析，在分析之前，先對ABB 同期裝置的頻率調節原理進行簡單說明。

轉差率s 的定義

式中：f1 為系統頻率，f2 為待并網側頻率，fn 為額定頻率。s>0 表明待并網側頻率比系統頻率低，發電機處于欠同步狀態；s<0 表明待并網側頻率比系統頻率高，發電機處于過同步狀態。

當角差不滿足要求時，同期裝置頻率匹配器會給調速器發增頻或減頻指令，該指令長度與轉差率成正比，與頻度調節特性df/dt 成反比，頻度調節特性值可在同期裝置中進行設置修改，頻度調節特性值越小，說明指令長度越長，調速器調節幅度也就越大。頻率匹配器的任務是把當前轉差率調節到轉差率極限值（上、下極限值中較小的那個極限值）與0 的差值的中間值，調節指令的長度tpf可根據下式計算得到

如圖1 所示，當轉差率位于轉差率極限值smax的1/3到2/3 這個區間內時，不需要對其進行調節，在這個區域內發合閘脈沖時，因為導前時間（從發出合閘命令到開關合上的時間）的存在，開關合閘時，2 個并列之間的相位一致，對系統的沖擊最小。一旦轉差率為0，調節脈沖就會立即停止。調節指令長度不應低于一個可設定的最小值。發出調節指令后，系統會等待一段設定的脈沖間隔時間tsf，使實際轉差率能夠逐漸穩定到新的設定值。

圖1 頻率匹配器調節圖

通過分析待并網側頻率曲線和系統側頻率曲線，發現同期裝置向調速器發出增頻脈沖指令進行頻率調節，此時調速器在導葉自動增頻調節過程中疊加同期調節指令，又出現頻率超調現象，因此在同期裝置每間隔20 s 發1 次的調節過程中，出現頻率周期性的波動，導致頻率不滿足同期合閘條件。說明調速器自身的調節和同期裝置的頻率調節配合上出現了問題。

解決措施：一是修改調速器頻率調節步長，減小空載模式下調速器頻率調節步長，水輪機導葉動作開度就會相應減小，頻率變化幅度就不會那么大了。二是修改同期裝置頻率匹配器參數，將頻度調節特性df/dt 設大，就可以縮短同期裝置指令長度，調速器自然就調節少了。三是將原來的20 s 調節脈沖時間間隔調長，就可以等頻率穩定了再發調節脈沖，不至于超調。延長調節脈沖間隔時間，建議同步修改同期超時判斷時間，這樣同期裝置就可以多調節幾次，提高同期成功率。

2.1.2 案例二

如果測得的頻率不穩定，也有可能造成同期條件不滿足。某水電站輸電線路為110 kV，由于近期當地引進了一些冶煉企業（如電弧爐、電解鋁裝置），導致110 kV系統存在大量非線性負載（主要是晶閘管整流設備、三相負荷不平衡等引起），引起電網電流畸變，大量高次諧波導致電網諧波“污染”[3]，造成頻率測量不準。

解決措施：一是在測頻回路中加裝諧波濾波器。二是將測頻設備更換為抗干擾能力強的設備。

2.1.3 案例三

如果發電機組有出口開關，同期的電壓信號從發電機出口PT 和發電機出口開關內的PT 取得，相角基本無誤差。如果在主變高壓側同期，就得取母線PT 和發電機出口PT 的電壓信號，發電機出口PT 取得的電壓信號，與實際的同期電壓相差了一個主變壓器的相角。這需要對同期裝置或同期鑒定閉鎖繼電器每個并列點的系統側電壓單獨設置轉角進行修正。

解決措施：這種問題一般是新投產機組啟動試驗時可能遇到的問題，同期裝置設置好了后續啟機就不會有同期失敗的問題了。

這里對ABB 同期裝置的電壓調節原理進行簡單說明。如圖2 所示，由同期裝置電壓匹配器發出調節指令（脈沖），該指令長度與當前系統側電壓和待并網側電壓差成正比，比例因子dU/dt 的大小可根據電壓調節器進行調整、設置。電壓匹配器的任務是把電壓差調節到設定公差帶的中間位置，調節指令的長度tpU 可根據下式計算得到。

圖2 電壓匹配器調節原理

一旦電壓差被調節到目標值，調節脈沖就會停止。調節指令長度不應低于一個可設定的最小值。發出調節指令后，系統會等待一段設定的脈沖間隔時間tsU，脈沖間隔時間1~20 s 可調，使實際電壓值能夠逐漸穩定到新的設定電壓值。

2.2 同期裝置故障及回路問題

一般大型機組同期裝置為雙套配置，一套同期失敗后可自動切至另外一套，可靠性高。同期裝置回路包含的主要設備有：同期裝置、同期鑒定閉鎖繼電器、電壓互感器和電纜等，任意一個環節出問題都會造成同期失敗。主要包括裝置故障和回路故障，這些故障就不一一陳述了，列舉幾個典型問題進行描述。還有就是與同期有關的調速器和勵磁系統，調速器負責調節頻率，勵磁負責調節電壓，如果這2 個系統出問題了，也會導致同期失敗。

2.2.1 案例一

某水電站機組在同期并網過程中，同期裝置發出“增速”和“減速”令至調速器[3-4]，調節水輪機導葉開度。在調速器收到“減速”令時，調速器將導葉回關，此時由于主用水輪機導葉位移傳感器滑塊連接螺釘脫落，導葉反饋值未變化，調速器判斷導葉未回關，即反饋值未到達給定值，造成導葉繼續回關。隨后頻率降低至勵磁系統V/F 限制動作值，勵磁系統報警，頻率繼續降低至45 Hz 時，勵磁滅磁開關跳閘。

解決措施：這是由于調速器故障導致的同期失敗，建議對導葉位移傳感器滑塊進行加固處理。如果有條件，可以安裝3 個導葉位移傳感器，采用“三選二”判斷邏輯。

2.2.2 案例二

某水電站機組同期失敗，通過查詢監控曲線，同期裝置開始運行時機組頻率為50.11 Hz，機組進入空載至同期裝置開始運行的90 s 內，調速器未能將機組調節至穩定狀態。對機組進行調速器A、B 套空載擾動試驗[5]，機組A、B 套空載擾動均超調60%，由擾動開始到調節穩定為止的調節時間（±0.05 Hz 擾動，穩定時間為80～90 s）均超過25 s。不滿足頻率最大超調量不得超過擾動量的35%及由擾動開始到調節穩定為止的調節時間不得超過25 s 的要求。經過分析，機組調速器PID 參數是在機組投產初期低水頭情況下確定的，在當前高水頭運行方式下，機組空載時的超調量大，調節穩定時間長。同期失敗的原因歸結為調速器PID 參數不合理。

解決措施：一是在額定水頭時開展調速器空載擾動試驗，選取的PID 參數可兼顧低水頭和高水頭的運行工況。二是條件允許，可以設置多組PID 參數，以適應不同水頭。

2.2.3 案例三

某水電站機組開機過程中報發電超時，開機流程退出。檢查同期裝置顯示“對象側頻率過低”。同期失敗的原因是同期裝置報出“對象側頻率過低”，同期頻差過大，此信號只有在機端頻率低于44 Hz 時報出，而監控系統曲線顯示機端頻率在此時間內均在50 Hz 左右，故判斷同期裝置PT 回路可能有瞬時干擾或者同期裝置瞬時故障。

解決措施：這種情況屬于偶發故障，故障原因分析較困難，因此建議檢查回路及PT 回路電纜屏蔽接地情況，對同期裝置進行校驗。

3 結束語

同期失敗的原因很多，或者是設備原因，或者是系統原因，要將失敗原因分析清楚，最重要的是數據采集和分析，包括采集電壓、頻率、設備故障和事件記錄等，通過這些數據分析才能將同期失敗原因分析清楚。如果在同期失敗分析過程中修改了同期參數或者動了回路，建議在并網之前，開展同期試驗，避免出現非同期并網，造成嚴重后果。